任作為

(長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434000)

0 引言

溫度的檢測(cè)與控制在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中有著極其廣泛的應(yīng)用，而隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)傳感器性能的要求越來(lái)越高。另一方面，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)深入到各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。所以可以采用新型的數(shù)字溫度傳感器，并利用單片機(jī)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行控制，則可以使測(cè)溫電路大大簡(jiǎn)化，并且更易于智能化控制。

1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件接口電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要就是MSP430單片機(jī)和數(shù)字化溫度傳感器DS1820的連接。首先簡(jiǎn)要介紹數(shù)字化溫度傳感器DS1820。

1.1 DS1820的芯片

DS1820是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器，是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專(zhuān)利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。它只需要單片機(jī)的一個(gè)一般I/O接口就可以實(shí)現(xiàn)連接。

DS1820的主要特性如下：

（1）獨(dú)特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時(shí)只需要一根總線就可以實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通信；

（2）DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的總線上，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；

（3）DS1820在使用中不需要任何外圍元器件件；

（4）可以由數(shù)據(jù)線來(lái)供電；

（5）測(cè)溫范圍-55℃至+125℃，固有測(cè)溫分辨率為0.5℃；

（6）測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送；

（7）用戶(hù)可以設(shè)置報(bào)警溫度。

以下是該芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖，如圖1所示。

圖1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

由上圖可以看出，DS1820主要有存儲(chǔ)器、寄存器、邏輯控制、單線接口、溫度傳感器和溫度上、下限寄存器等幾個(gè)部分組成。為了便于進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)，有必要說(shuō)明芯片的管腳定義，如圖2所示。

圖2 管腳

由圖2可以看到，該芯片共有3個(gè)管腳，其功能分別如下：

Vcc:電源管腳，供電電壓范圍為2.8～5.5V。

GND:接地管腳；

DQ：?jiǎn)尉€接口管腳，與單片機(jī)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 接口電路設(shè)計(jì)

由于DS1820芯片采用單線協(xié)議，即只需要一根線與MSP430單片機(jī)進(jìn)行接口，因此接口電路非常簡(jiǎn)單。MSP430單片機(jī)能通過(guò)端口的方向寄存器來(lái)設(shè)置端口的輸入輸出方向，因此能很好地實(shí)現(xiàn)單總線的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能。使用MSP430單片機(jī)的一般I/O接口P1.0與DS1820芯片進(jìn)行連接。

如圖3所示為具體的接口電路圖。

圖3 接口電路圖

MSP430單片機(jī)與DS1820芯片的接口非常簡(jiǎn)單。將MSP430單片機(jī)的P1.0管腳與DS1820芯片相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在上面電路的設(shè)計(jì)中，DQ線通過(guò)10KΩ的電阻拉高，保證總線在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)始終為高電平。為了減少干擾，在電源的管腳增加一個(gè)0.1μF的電容來(lái)進(jìn)行濾波處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)DS1820芯片進(jìn)行讀取溫度的操作，在進(jìn)行具體編程之前，現(xiàn)對(duì)單總線協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 單總線協(xié)議

單總線協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，這樣就必須包括數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，另外該總線還必須具有復(fù)位功能。

2.1.1 總線復(fù)位

總線復(fù)位主要是起初始化總線的作用，在數(shù)據(jù)讀寫(xiě)之前，都必須對(duì)總線進(jìn)行復(fù)位?？偩€復(fù)位就是由單片機(jī)向總線發(fā)送低電平脈沖，然后等待DS1820的響應(yīng)，DS1820在接受到總線復(fù)位信號(hào)后給出相應(yīng)的電平。如圖4所示為總線復(fù)位的時(shí)序圖。

圖4 總線復(fù)位的時(shí)序圖

可以看出，低電平和高電平保持的時(shí)間是有限制的，這就要求在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)特別注意高低電平的保持時(shí)間。

2.1.2 總線寫(xiě)

總線寫(xiě)是單片機(jī)向DS1820寫(xiě)數(shù)據(jù)，由于總線數(shù)據(jù)傳輸是以“位”為單位的，單總線通信協(xié)議中存在兩種寫(xiě)時(shí)隙：寫(xiě) “0”和寫(xiě)“1”。MSP430 單片機(jī)采用寫(xiě)“1”時(shí)隙向 DS1820 寫(xiě)入“1”，而寫(xiě)“0“時(shí)隙向DS1820寫(xiě)入“0”。所有寫(xiě)時(shí)隙至少要60μs，且在兩次獨(dú)立的寫(xiě)時(shí)隙之間至少要1μs的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫(xiě)時(shí)隙均起始于MSP430單片機(jī)拉低數(shù)據(jù)總線。產(chǎn)生“1”時(shí)隙的方式：MSP430單片機(jī)拉低總線后，接著必須在15μs之內(nèi)釋放總線，由上拉電阻將總線拉至高電平；產(chǎn)生寫(xiě)“0”時(shí)隙的方式為在MSP430單片機(jī)拉低后，只需要在整個(gè)時(shí)隙間保持低電平即可（至少60μs）。在寫(xiě)時(shí)隙開(kāi)始后15～60μs期間，單總線器件采樣總電平狀態(tài)。如果在此期間采樣值為高電平，則邏輯“1”被寫(xiě)入器件；如果為“0”，寫(xiě)入邏輯“0”。

如圖5所示為寫(xiě)時(shí)隙（包括1和0）時(shí)序。

圖5 總線寫(xiě)時(shí)序圖

由上圖可以看出，低電平和高電平保持是有時(shí)間限制的，所以要求在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)特別注意高低電平的保持時(shí)間。

2.1.3 總線讀

總線讀是單片機(jī)從DS1820讀取數(shù)據(jù)，由于總線數(shù)據(jù)傳輸是以“位”為單位的，所以總線讀包括讀“1”和讀“0”。如圖6所示是總線讀的時(shí)序圖。

圖6 總線讀時(shí)序圖

由上圖可看出，單片機(jī)在讀“1”或讀“0”時(shí)，首先需要將總線拉低，然后將總線拉高，再根據(jù)總線是高電平還是低電平來(lái)判斷是“1”還是“0”，從而使單片機(jī)獲取總線上的數(shù)據(jù)。

2.2 DS1820的控制

對(duì)DS1820的控制是通過(guò)操作其內(nèi)部的存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DS1820的操作指令分為ROM操作命令和存儲(chǔ)器操作命令。

2.2.1 ROM操作命令

（1）Read ROM（0x33）：如果只有一片 DS1820，可以用該命令讀出它的序列號(hào)。若在線DS1820不止一個(gè)，那么將會(huì)發(fā)生沖突；

（2）Match ROM（0x55）：多個(gè) DS1820 一起使用時(shí)，可用該命令匹配一個(gè)給定序列號(hào)的DS1820，此后的命令就針對(duì)該DS1820；

（3）Skip ROM（0xCC）：執(zhí)行該命令后的存儲(chǔ)器操作將對(duì)所有在線的DS1820有效；

（4）Search ROM（0xF0）：用來(lái)讀出在線的 DS1820 的序號(hào)；

（5）Alarm Search（0xEC）：當(dāng)溫度值高于 TH 或低于 TL中的數(shù)值時(shí)，該命令可以讀出報(bào)警的DS1820。

2.2.2 存儲(chǔ)器操作命令

（1）Write Scratchpad（0x4E）：寫(xiě)兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到溫度寄存器。

（2）Read Scratchpad（0xBE）：讀取溫度寄存器的溫度值。

（3）Copy Scratchpad（0x48）：將溫度寄存器的數(shù)值復(fù)制到 EERAM中，以確保溫度值不會(huì)丟失。

（4）Convert T（0x44）：?jiǎn)?dòng)在線 DS1820 進(jìn)行溫度 A/D 轉(zhuǎn)換。

（5）Recall E2（0xB8）：將EERAM中的數(shù)值復(fù)制到溫度寄存器中。

（6）Read Power Supply（0xB4）：在該命令送到 DS1820 之后的每一個(gè)讀數(shù)據(jù)間隙，之處電源模式：“0”為寄生電源；“1”則為外部電源。

根據(jù)以上的操作命令，一下給出測(cè)量溫度的步驟。

①Read ROM（33h），每次對(duì)DS1820進(jìn)行操作之前都需要對(duì)其進(jìn)行初始化，主要目的在于確定傳感器是否連接到單總線上。

②Search ROM（F0h），這條指令使處理器用排除的方法去辨別總線上的DS1820。

③Match ROM（55h），只有準(zhǔn)確地符合64位ROM序列的DS1820才能響應(yīng)接下來(lái)的指令。如果是單點(diǎn)測(cè)溫，則可以使用Skip ROM（CCh）指令來(lái)跳過(guò)這一步。

④Convert T（44h），發(fā)送該條之后，應(yīng)查詢(xún)總線上的電平，當(dāng)電平位高時(shí)，則溫度轉(zhuǎn)換完成。

⑤Read Scratchpad（BEh），發(fā)送讀指令后則可以從總線上獲得表示溫度的兩字節(jié)二進(jìn)制數(shù)。

2.3 DS1820操作的程序?qū)崿F(xiàn)

DS1820的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器操作都是建立在單總線協(xié)議程序基礎(chǔ)之上的，所以首先要通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)單總線協(xié)議，然后再編寫(xiě)DS1820的溫度數(shù)據(jù)讀取程序。

2.3.1 單總線協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

單總線協(xié)議包括總線復(fù)位和讀寫(xiě)字節(jié)操作，具體程序代碼如下：

以上的程序需要在總線的讀或者寫(xiě)時(shí)切換管腳的輸入輸出方向，另外，需要注意延時(shí)的時(shí)間，這主要根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)鐘進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2.3.2 DS1820溫度數(shù)據(jù)的讀取

事實(shí)上獲得溫度數(shù)據(jù)就是對(duì)DS1820的某些存儲(chǔ)器進(jìn)行相應(yīng)的操作，程序如下所示。

這段程序只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理，在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要添加ROM命令的處理。總線上也可能并聯(lián)多個(gè)DS1820進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫，則應(yīng)該根據(jù)具體的需要要進(jìn)行相應(yīng)的修改。

3 小結(jié)

本文介紹了采用MSP430單片機(jī)與DS1820的接口設(shè)計(jì)，首先介紹了電路的接口設(shè)計(jì)，然后給出了相應(yīng)程序。DS1820通過(guò)單總線和單片機(jī)來(lái)進(jìn)行里連接，使得系統(tǒng)的硬件電路部分相當(dāng)簡(jiǎn)潔，使外圍擴(kuò)展器件少，體積減小，也降低了成本。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的是必須滿(mǎn)足單總線協(xié)議工作的時(shí)序問(wèn)題。該系統(tǒng)也可以進(jìn)行硬件和軟件上的擴(kuò)展，使其具有更完善的功能，以滿(mǎn)足不同的情況下的溫度采集需要。

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